Descubre la utilidad de la teoría cinética molecular en la comprensión de la materia
Hace doscientos años, se planteó por vez primera la noción de que las moléculas presentan variaciones en sus velocidades. No obstante, este concepto trajo consigo una cuestión adicional: si los átomos y las moléculas de un gas se desplazan a distintas velocidades y, como resultado, muestran distintos niveles de energía, ¿cómo es posible analizar apropiadamente su movimiento? Es de conocimiento común que existen casos en que algunas partículas tienen el mismo valor de velocidad, al tiempo que todas ellas se ajustan a un intervalo específico. De ahí que podamos referirnos a una distribución en estos casos.
Fundamentos de la dinámica molecular de los gases
Esta teoría es más efectiva para analizar gases ideales. Aunque los gases ideales son una representación teórica, esta teoría se puede aplicar en ciertas situaciones, como a bajos niveles de presión y altas temperaturas. Cuando alguno de los tres parámetros -volumen, presión o temperatura- se mantiene constante, se obtienen tres procesos gaseosos diferentes y se cumplen tres leyes distintas. De estas leyes, las más adecuadas para ser descritas mediante la teoría cinética molecular son la ley de Charles y la ley de Boyle.
En el caso de que la presión se mantenga constante, el gas está sometido a un proceso que sigue la ley de Charles. Según esta ley, el volumen (V) de un gas es directamente proporcional a su temperatura (T). ¿Qué quiere decir esto? Es decir, si aumenta la temperatura, el volumen también lo hace. A este proceso se le conoce como proceso isobárico y se puede expresar mediante esta fórmula:
(Vpropto T)
En los ejercicios, se te pedirá que encuentres el volumen o la temperatura después de que el gas experimente este proceso. El enunciado te proporcionará algunos datos y tú deberás calcular el volumen o la temperatura correspondiente. Lo importante es tener claro que este cociente permanece constante, aun cuando cambien el volumen y la temperatura.
Los fundamentos de la teoría molecular de la materia
¡Es hora de explorar los estados de la materia en profundidad y descubrir sus secretos! Descubriremos juntos la teoría que gobierna este fascinante mundo, a través de las siguientes afirmaciones:
Sin duda, estas leyes son especialmente válidas para los gases, razón por la que la teoría cinética de la materia se relaciona directamente con su estado gaseoso. En un medio sólido, las moléculas están unidas por fuerzas que las mantienen en distancias relativamente pequeñas y su movimiento se limita a la vibración, sin posibilidad de desplazarse.
Es hora de detenernos y reflexionar sobre un término que a menudo se da por sentado en este tipo de lecciones, pero que merece una mención especial. ¿Qué es realmente la energía cinética? ¡Descubrámoslo juntos!
Cálculo de velocidades en una distribución de Maxwell-Boltzmann
Según la teoría cinético-molecular, en una distribución de Maxwell-Boltzmann, se puede calcular la probabilidad de encontrar partículas con diferentes velocidades. A continuación se presenta un ejemplo práctico que ilustra este concepto.
Tomando como muestra 10 partículas, con velocidades de 1,0 , 2,0 , 4,0 , 4,0 , 6,0 , 6,0 , 6,0 , 10,0 , 10,0 y 12,0 m/s, se puede determinar la velocidad más probable.
La velocidad más probable , también conocida como moda, es aquella a la que se encuentra la mayor cantidad de partículas. En este caso, de las 10 partículas consideradas, 3 tienen una velocidad de 6,0 m/s. Por lo tanto, según este ejemplo, la velocidad más probable sería de 6,0 m/s .
Presión y volumen en gases Ley de BoyleMariotte
Entender el comportamiento de los gases es posible gracias a la teoría cinético-molecular. Esta teoría también permite explicar las leyes que rigen dicho comportamiento. Entre estas leyes se encuentra la ley de Boyle-Mariotte, también conocida como ley de Boyle cuando la temperatura se mantiene constante.
La ley de Boyle, aplicable a gases ideales, expresa que la presión de un gas es inversamente proporcional a su volumen. Esta relación solo se cumple si la cantidad de gas y la temperatura permanecen constantes.
Esta ley se puede resumir de la siguiente manera: a mayor volumen, menor presión, y viceversa, siempre y cuando la cantidad de gas y la temperatura se mantengan sin cambios.
Termodinámica de los gases en distintos grados principios de Charles y Gay Lussac
Dos leyes que rigen el comportamiento de los gases relacionadas con cambios de temperatura.La ley de Charles y la ley de Gay-Lussac explican cómo se ve afectado el volumen de un gas cuando la temperatura del sistema varía.
La ley de Charles: establece que el volumen de una masa de gas es directamente proporcional a su temperatura cuando la presión se mantiene constante.
La ley de Gay-Lussac: indica que, a temperatura constante, la presión y el volumen de un gas son inversamente proporcionales.
Ambas leyes tienen una fórmula relacionada. Esta muestra cómo se relacionan el volumen y la temperatura inicial y final cuando la otra variable cambia.
Aspectos esenciales de la Teoría Cinética de los Gases
La teoría cinética molecular fue desarrollada por el matemático suizo Daniel Bernoulli, quien fue el primero en publicar un modelo que sienta las bases de esta teoría.
La teoría cinética molecular sostiene que los cambios de estado en la materia se producen al añadir o disminuir su energía cinética. Al aumentar la energía cinética, por ejemplo con calor, las partículas se mueven con mayor rapidez, llevando al material desde un estado sólido a líquido y, finalmente, a gas.
Un ejemplo práctico de la teoría cinética molecular es el movimiento Browniano, observado por primera vez por Robert Brown. En este fenómeno, las partículas de polvo presentes en un haz de luz se mueven erráticamente debido a sus constantes colisiones con las moléculas de aire.
Las fundamentos de la teoría de partículas en movimiento
Las propiedades fundamentales de los gases se basan en su capacidad para adaptarse a la forma y el tamaño del recipiente que los contiene. Los gases, a diferencia de los líquidos y sólidos, pueden comprimirse y expandirse, ejerciendo una presión constante sobre las paredes del recipiente.La causa de esta presión se encuentra en los choques entre las moléculas del gas y las paredes del recipiente. Al estar en constante movimiento, las partículas chocan unas con otras y con las paredes, generando una fuerza que se conoce como presión.
Dentro del recipiente, las partículas se mueven en líneas rectas y al azar, colisionando entre sí y con las paredes del recipiente. Este movimiento frenético evita que las partículas se queden estancadas en una sola zona del recipiente, lo que contribuye a su distribución homogénea.
Un ejemplo claro de esto es el de un globo lleno de helio. Con el tiempo, el globo comienza a disminuir su tamaño debido a los pequeños agujeros de la goma que permiten la fuga de moléculas de gas. Es por ello que, al hablar de las propiedades de los gases, también es necesario mencionar la difusión y la efusión.Conceptos esenciales de la teoría cinética molecular
La energía cinética se refiere a la energía que posee una partícula en movimiento. En la teoría cinética molecular, esta energía está relacionada con la temperatura, ya que un cambio en la temperatura de un gas provoca un cambio en la velocidad de las partículas.
Si imaginamos átomos y moléculas como pequeñas esferas en constante movimiento, podemos entender cómo interactúan entre sí. Al igual que pelotas, chocan entre sí constantemente, cambiando de dirección y velocidad en cada colisión.
Es importante señalar que, a pesar de su pequeño tamaño, la magnitud de los átomos y moléculas es despreciable en comparación con el volumen que ocupan. Por lo tanto, las distancias entre las partículas son significativamente mayores que su tamaño individual.
Cinética y gases
El concepto de la teoría cinética de la materia adquiere una relevancia especial en el medio gaseoso, debido a que las fuerzas de cohesión impiden la libre movilidad de las partículas en los objetos sólidos y líquidos.
Una muestra de ello es el aumento de la temperatura en un objeto sólido, lo que resulta en un incremento en el movimiento de sus partículas (aunque de forma vibratoria, sin posibilidad de moverse libremente en el espacio). Esto puede observarse en una dilatación del objeto. Sin embargo, al aplicar suficiente calor, las fuerzas de cohesión disminuyen, lo que provoca la transformación del sistema material a un estado líquido al impedir que las moléculas permanezcan fijas.
Por otro lado, los líquidos tienen una plasticidad mayor en su movimiento desordenado. De esta forma, cuando se alcanza el punto de ebullición y se aplica suficiente calor, las moléculas rompen la tensión superficial y "escapan", produciendo un cambio al estado gaseoso.
Resumen
El concepto de teoría cinética de la materia va mucho más allá de lo que se podría esperar en un principio. A través de la definición de los cuatro estados de la materia y su aplicación en el comportamiento de los gases, podemos comprenderla a fondo.
En una sociedad moderna, donde ya se han establecido las bases de la física y la química, puede parecernos obvio este tipo de conocimiento. Sin embargo, para los científicos del siglo XIX, el descubrimiento de estas teorías fue un hecho revolucionario.
No obstante, recordar estas leyes del pasado no es una mera cuestión anecdótica. Repasar el conocimiento pasado nos ayuda a disminuir las posibilidades de cometer errores en el futuro.
